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Thème détude: LES STRUCTURES PORTEUSES ETUDE DE CAS : INFLUENCE DE LA GEOMETRIE ET DES MATERIAUX D UNE STRUCTURE PORTEUSE SUR SA MASSE ET SA RESISTANCE.

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1 Thème détude: LES STRUCTURES PORTEUSES ETUDE DE CAS : INFLUENCE DE LA GEOMETRIE ET DES MATERIAUX D UNE STRUCTURE PORTEUSE SUR SA MASSE ET SA RESISTANCE AUX CHARGES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 – Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES

2 PLAN DE LA PRESENTATION DE LETUDE DE CAS 1 - Notion de structures porteuses et orientation de létude 2 - Question sociétale – problématique – problèmes techniques 3 - Objectifs et fil directeur de létude 4 - Modalités dorganisation des différentes activités composant létude 5 - Contenus des différentes activités 6 - Bilan des centres dintérêt, compétences, capacités et connaissances abordés 7 - Informations complémentaires ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Cycle 2 - Projet 2 STI2D-Architecture et Construction

3 1 LES STRUCTURES PORTEUSES ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Cycle 2 - Projet 2 STI2D-Architecture et Construction

4 LES STRUCTURES PORTEUSES ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES « ensemble de solides agencés de manière organisée et destiné à supporter des actions mécaniques importantes » De très nombreuses applications … Cycle 2 - Projet 2 STI2D-Architecture et Construction

5 LES STRUCTURES PORTEUSES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Une étude de cas recentrée sur : 1 - Létude de sollicitations de poutre simples ( constitutives des structures porteuses) 2 - Létude de structures triangulées planes 3 - Létude de structures triangulées spatiales de type PONT

6 2 QUESTION SOCIETALE PROBLEMATIQUE PROBLEMES TECHNIQUES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES

7 QUESTION SOCIETALE : Comment limiter le besoin en énergie et en matière pour construire et déplacer des structures porteuses résistantes. PROBLEMATIQUE : comment concevoir des structures porteuses les moins lourdes possibles, nécessitant le moins de matière possible et capable de supporter les actions mécaniques quelles subissent ? PROBLEMES TECHNIQUES: Comment les formes et les matériaux des poutres constitutives des structures porteuses, influencent-elles la masse et la résistance de cette structure ? En quoi la géométrie dune structure apporte-t-elle de la résistance face aux actions mécaniques ? STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES

8 3 OBJECTIFS DE LETUDE STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES

9 OBJECTIFS DE LETUDE: - Comprendre comment la géométrie dune poutre et les matériaux influencent le comportement sous charge de cette poutre et dune structure. - Comprendre de quelle manière une triangulation de poutre apporte résistance et rigidité à une structure porteuse tout en limitant la masse de cette structure. - SIMULER et EXPERIMENTER des poutres et des structures triangulées - Apporter des réponses à la problématique - comparer les comportements des modèles expérimentaux et des modèles simulés STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES MODELE REELMODELE SIMULE ECART

10 4 MODALITES DORGANISATION DES ACTIVITES COMPOSANT LETUDE DE CAS STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES

11 5 CONTENUS DES ACTIVITES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES

12 Activité 1 : ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 1 : cours sur le comportement du solide déformable Notion de poutre, hypothèses préliminaires, modélisation dune poutre Actions mécaniques et sollicitations contraintes – déplacements de matière – déformations Propriétés importantes de matériaux (domaines élastique et plastique, limite élastique, module dYoung, masse volumique …) Notions sur la simulation du solide déformable (notion déléments finis, lecture et analyse des résultats dune simulation)

13 Activité 1 ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 2 : EXPERIMENTATION: FLEXION 3 POINTS DE POUTRES Sur un banc de flexion simple, charger des poutres de différentes sections et différents matériaux

14 Activité 2 : ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape : EXPERIMENTATION: FLEXION 3 POINTS DE POUTRES Sections des poutres toutes contenues dans un encombrement 10 mm x 10 mm Expérimentations, recueil des résultats, exploitation dun tableur Les paramètres influençant la flexion

15 Activité 2 : ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape : MODELISATION + SIMULATION : FLEXION 3 POINTS DE POUTRES Même démarche que létape 2 mais virtuellement à laide de Solidworks Simulation (2010) Les mêmes poutres quà létape 2 + autre section non disponible réellement et toujours contenues dans un encombrement 10 mm x 10 mm IPE

16 Activité 2 : ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 3 : MODELISATION + SIMULATION : FLEXION 3 POINTS DE POUTRES Recueil des résultats et exploitation dun tableur Calcul dun coefficient K permettant de dire « la poutre est capable de supporter x fois sa propre masse » (sans sortir du domaine élastique) Masse suspendue à la poutre générant dans la poutre une contrainte égale à limite élastique Masse de la poutre K =

17 Activité 2 : ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 4 : ANALYSE DES RESULTATS ET REDACTION DUN RAPPORT DE SYNTHESE (travail élève) Comparaison des résultats issus de lexpérimentation et de la simulation: validation du modèle simulé Comparaison des poutres de même matière mais de sections différentes Comparaison des poutres de même section mais de matières différentes Constat: Evolutions des contraintes et de la flèche proportionnelles à la charge Pour la poutre rectangulaire, comparaison des résultats suivant lorientation de la section (grand et petit moment quadratique) Analyse du coefficient K et conclusion sur lintérêt des différentes sections … MODELE REELMODELE SIMULEECART

18 Activité 2 : ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 5 : SYNTHESE DE LACTIVITE 1 et APPORT DE NOTIONS SUPPLEMENTAIRES Bilan des rapports de synthèse et comparaison avec les observations et conclusions attendues explication de la notion de moment quadratique explication théorique des contraintes dues à la flexion et conclusion sur les sections les plus adaptées à cette sollicitation. 1 er réponses à la problématique : influence de la géométrie (section et longueur de poutre) et des matériaux sur la résistance et la rigidité dune poutre en flexion

19 Activité 3 ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D et 3D » STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 1 : LANCEMENT DE LACTIVITE DÉCOUVERTE DU PRINCIPE DE MODÉLISATION UTILISÉ POUR MODÉLISER LA STRUCTURE TRIANGULÉE PLANE: Utilisation dune esquisse modèle création de la structure comme une pièce composée de différents corps volumiques indépendants (poutres) outils desquisse permettant une modélisation plus rapide … etc …

20 Activité 3 : ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D » STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 2 : MODELISATION ET SIMULATION DE STRUCTURE 2D géométrie évolutive + différents cas de chargement différentes simulations analyse des déplacements, des contraintes, recherche du coefficient K

21 Performances du modèle 3 modifiées suivant la zone de chargement Activité 3 : ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D » STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 3 : ANALYSE DES RESULTATS ET SYNTHESE ETAPE 2 EN CLASSE ENTIERE comparaison des performances des différentes structures constatation de linfluence de la zone de chargement suivant la géométrie de la structure Modèle 1 Modèle 2 Modèle 3 Bien moins déformable que modèle 1 Même déformation que modèle 1 mais plus lourd

22 Activité 2 suite : ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 3D » STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 3 suite : LANCEMENT ETAPE 4 AIDE METHODOLOGIQUE POUR REALISER LETAPE 4 : MODELISATION ET SIMULATION STRUCTURE TRIANGULEE 3D: création des plans virtuels contenant les différentes poutres utilisation de loutils conversion dentité pour gagner en rapidité de modélisation

23 Activité 3 : ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D et 3D » STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 4 : MODELISATION ETSIMULATION DUNE STRUCTURE TRIANGULEE 3D utile en vue de lactivité 3: conception et modélisation dun pont triangulé analyse des déplacements, contraintes et détermination du coefficient K

24 Activité 4 : CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION DUN PONT A ECHELLE REDUITE STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 1 : LANCEMENT DE LACTIVITE 3 objectifs, méthodologie, organisation du travail en groupe Étape 2 : conception géométrie pont : en groupe de 4 Étape 3 :modélisation + simulation: en groupe de 2 (fractionnement groupe de 4) Etape 4 : réalisation réel du pont et expérimentation : en groupe de 4

25 Activité 4 : CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION DUN PONT A ECHELLE REDUITE STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 1 : LANCEMENT DE LACTIVITE 3 travail sur la base du KIT PONT TRELLIS « A4 technologie » : poutres en PVC expansé + visserie + documentation très complète GRATUITE (+ outils daide au dessin et à la réalisation en option)

26 Activité 4 : CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION DUN PONT A ECHELLE REDUITE Utilis ation STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 2 : CHOIX DE LA GEOMETRIE DE LA STRUCTURE - MODELISATION – SIMULATION Choix dune silhouette puis utilisation simultanée dun plan papier et dune esquisse solidworks pour définir la géométrie du pont Encombrement imposé Gabarit de plan fourni (A4 techno.)

27 Activité 4 : CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION DUN PONT A ECHELLE REDUITE STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 2 suite : CHOIX DE LA GEOMETRIE DE LA STRUCTURE - MODELISATION – SIMULATION Modélisation de la maquette du pont et simulation

28 Activité 4 : CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION DUN PONT A ECHELLE REDUITE STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 3 : REALISATION DE LA MAQUETTE DU PONT - EXPERIMENTATION REALISATION : Définition précise des différentes poutres - découpe – perçage - assemblage

29 Activité 4 : CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION DUN PONT A ECHELLE REDUITE STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 3 suite : REALISATION DE LA MAQUETTE DU PONT - EXPERIMENTATION EXPERIMENTATION

30 Activité 4 : CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION – EXPERIMENTATION DUN PONT A ECHELLE REDUITE STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES Etape 4 : ANALYSE et COMPARAISON DES MODELES « Recalage éventuel du modèle simulé pour rapprocher son comportement de celui du modèle réel expérimental » Comparaison des performances des différentes structures réalisées par les différents groupes délèves MODELE EXPERIMENTALMODELE SIMULE ECART

31 BILAN DES DOCUMENTS PEDAGOGIQUES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES FICHES DACTIVITES Présentation générale de létude de cas structures porteuses Activité 1: expérimentation et simulation de poutres en flexion Activité 2 : simulation de structures triangulées planes et spatiales Activité 3 : conception simulation expérimentation dune maquette de pont triangulée FICHES METHODES Fiche méthodologie: expérimentation poutres en flexion Fiche méthodologique: simulation poutres en flexion COURS ET SYNTHESES Cours sur le comportement du solide déformable Synthèse activité 1: poutres en flexion – Analyse des résultats – connaissances complémentaires Synthèse activité 2: les structures triangulées

32 6 CENTRES DINTERETS COMPETENCES CONNAISSANCES CAPACITES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES

33 CENTRES DINTERET ABORDES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES

34 COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES A – ANALYSER A2 – Analyser le Système « identifier les matériaux des constituants et leurs propriétés en relation avec les fonctions et les contraintes » Matériaux : Mettre en relation les propriétés du matériau avec les performances du système Comportement du solide déformable : Analyser les sollicitations dans les composants Analyser les contraintes dans un composant A3 – caractériser des écarts « comparer les résultats expérimentaux avec les critères du cahier des charges et interpréter les écarts » « comparer les résultats expérimentaux avec les résultats simulés et interpréter les écarts » Analyse des écarts Traiter des données de mesures Quantifier des écarts entre des valeurs mesurées et des valeurs obtenues par simulation Rechercher et proposer des causes aux écarts constatés

35 COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES B – MODELISER B3– Résoudre et simuler « simuler le fonctionnement de tout ou partie dun système à laide dun modèle fourni. » Comportement du solide déformable : Déterminer les parties les plus sollicitées dans un composant B4 – valider un modèle « interpréter les résultats obtenus » Matériaux Identifier linfluence des propriétés des matériaux sur les performances du système Comportement du solide déformable Valider linfluence de la structure sur les performances du système

36 COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES C – EXPERIMENTER C2– Mettre en œuvre un protocole expérimental « conduire les essais en respectant les consignes de sécurité à partir dun protocole fourni » « traiter les données mesurées en vue danalyser les écarts» Mettre en œuvre un appareil de mesure Analyser des résultats expérimentaux D – COMMUNIQUER D2 – mettre en œuvre une communication « produire un support de communication » « argumenter » Réaliser un document numérique

37 7 INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES DISPOSITIF EXPERIMENTAL POUR ETUDE FLEXION POUTRES

38 7 INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES DISPOSITIF EXPERIMENTAL POUR ETUDE FLEXION POUTRES

39 STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES DISPOSITIF EXPERIMENTAL POUR ETUDE FLEXION POUTRES

40 STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES EXEMPLES DE REALISATIONS ELEVES

41 STI2D-Architecture et Construction Cycle 2 - Projet 2 ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES DISPOSITIF EXPERIMENTAL - MESURE DE LA DEFORMEE DU PONT SOUS CHARGE


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